耐衝蝕壓裂滑套的製作方法

2023-12-12 23:42:43 2

本發明涉及一種井下作業工具領域中的一種壓裂用耐衝蝕壓裂滑套。

技術背景

水平井分段壓裂技術已成為當今油氣增產的重要手段，是開發低滲透油藏有效動用方式，滑套球座作為水平井分段壓裂工藝的重要部件，重點與難點在於提高壓裂滑套耐衝蝕性，耐衝蝕性的改善首要著手點就是壓裂滑套的材質、結構和表面處理工藝。

作為水平井裸眼分段壓裂技術的核心硬體，壓裂滑套作為水平井分段壓裂具的重要組成部分，在多段壓裂過程中的作用至關重要，其耐衝蝕性能和密封性能的好壞直接影響著壓裂施工的效果。

在水平井分段壓裂工藝中，投球開啟自鎖滑套的作用是分層控制開關，高含砂量的流體會對滑套內壁進行強烈的衝蝕，如果滑套的耐衝蝕性不高，極有可能造成滑套錐面被衝蝕變形，投球後無法形成有效密封，滑套打開失敗，嚴重影響分層壓裂施工正常進行。

壓裂滑套的安全可靠性能決定了分段壓裂工藝的成敗，因此，耐衝蝕壓裂滑套對水平井分段壓裂技術的發展具有重大意義。

技術實現要素：

本發明的目的就是針對現有技術存在的問題，提供一種耐衝蝕壓裂滑套，以提高壓裂滑套的耐衝蝕性和密封性。

本發明方法是這樣實現的：

一種耐衝蝕壓裂滑套,滑套基體材料採用QT500球墨鑄鐵鑄造成型；滑套流道入口採用22°錐面錐形孔，球座密封面採用球弧密封面的流道結構形式；內部流道表面採用在NH3 500 ml/min、N2 500 ml/min、壓力240 MPa、溫度550～560 ℃條件下進行18 h離子滲氮處理。

滑套流道出口採用６０°錐形孔，滲氮層的厚度不超過400 μm。

本發明的優點在於：

(1) 滑套基體材料採用組織均勻、耐磨損性能好的QT500球墨鑄鐵材料；

(2) 滑套流道採用22°錐面錐形孔+球弧密封面流道結構，避免了球座位置密封面的衝蝕，而且球座密封由線密封改進為面密封，大大提高了壓裂密封性能。

(3) 滑套表面處理採用適合球墨鑄鐵基體材料的離子滲碳處理技術，進一步提高了滑套的耐衝蝕能力。

(4) 按此要求成型的滑套具有耐衝蝕能力強、密封性能高的特點，滿足壓裂滑套的現場施工要求。

附圖說明

圖1為耐衝蝕壓裂滑套的結構示意圖。

1是22°錐面錐形孔、２是球弧密封面、３是圓柱孔、４是６０°錐形孔。

具體實施方式

現結合說明書附圖進一步說明本發明：如附圖1所示，在分段壓裂過程中，當對該滑套以下的井段進行壓裂時，所投球的尺寸為１．７５英寸為例，球直徑都小於22°錐面錐形孔1的直徑，球可以通過22°錐面錐形孔1進入球弧密封面2進行密封，此時球會與球弧密封面2配合而形成密封，由於球密封形式由線密封改進為面密封，其密封能力大大提高，保障了壓裂的可靠性，然後通過地面泵車系統打壓至要求壓力，從而實現壓裂該段地層，實現這一段地層的壓裂。

本實施例中滑套基體材料採用QT500球墨鑄鐵鑄造成型。

本實施例中滑套流道採用22°錐面錐形孔1+球弧密封面2的流道結構形式，滑套流道出口採用６０°錐形孔4。

本實施例中內部流道表面採用在NH3 500 ml/min，N2 500 ml/min，壓力240 MPa，溫度550～560 ℃，進行18 h離子滲氮的表面處理方法；離子滲氮後從試樣表面測至比基體維氏硬度值（HV275）高50HV0.3處的垂直距離為滲氮層深度，QT500滲氮層的厚度不超過400 μm。

本實施例中表面處理為離子滲氮生產條件下，QT500滲氮層的厚度不超過400μm。

本實施例中22°錐面錐形孔1以及圓柱孔3面都為精車加工工藝，在設計尺寸的基礎上尺寸公差最好採用上偏差，其表面粗糙度為R6.3~R3.2左右，球弧密封面2表面粗糙度為R1.6~R0.8左右。

本實施例中對非關鍵尺寸進行圓整處理，特別關鍵尺寸為球弧密封面2的球心位置， 22°錐面錐形孔1球弧密封面2與滑套為過盈配合面，其公差應選擇上偏差，同時在相應的滑套設計中，滑套的圓柱孔3選擇下偏差。

關於過盈配合面，可以採用加熱裝配法。對於加熱溫度可以採用如下的經驗公式（1-1）進行計算

（１）

t為加熱後的溫度（裝配溫度）（℃）

t0為加熱前的環境溫度（℃）

為軸與孔的過盈量（mm）

為加熱後孔與軸的間隙量，通常可取

加熱時工件的線脹係數，材料為鋼時取20~200℃內的較小係數11x10-6

l為被加熱孔的內徑（mm）

根據公式（１），取，環境溫度為t0=20℃，裝配溫度為200℃，內徑l=105.5mm，此時能夠裝配的最大過盈配合量為0.083mm，即在設計過程中的過盈量小於該值即可。

本實施例中對滑套表面處理具有以下特徵：

對於球墨鑄鐵，可以採用的提高材料表面硬度和抗衝蝕磨損性能的措施很多，如表面相變硬化、表面熔凝、表面熔敷、表面化學熱處理等。由於球墨鑄鐵的含碳量超過3%，雷射或等離子表面相變硬化和表面熔凝處理極容易形成白口脆性組織，在表面處理過程中產生裂紋失效；類似的，熔敷處理時也容易產生裂紋，需要採取預熱、緩冷等特殊工藝措施。對比分析表明，離子滲氮處理是合理的提高球墨鑄鐵表面硬度的方法。

球墨鑄鐵氮化具有兩個方面的特點：一是鑄鐵中較高的碳、矽含量阻礙氮原子的擴散，氮化層較薄；二是矽與氮形成極硬的矽氮化合物 Si3N4（HV1000），提高鑄鐵的表面硬度。與鋼一樣，鑄鐵氮化可以採用氣體氮化、液體氮化、離子氮化等各種途徑，氮化組織也基本相似，由表層白色的氮化物層（ε + γ』+ α-Si3N4）和次層黑色擴散層（過飽和氮的組成 α-Fe + α-Si3N4）組成，其中ε相是碳氮化合物。ε相的耐磨性、抗咬合性、耐蝕性較好，擴散層由於α-Fe中固溶了氮，使其疲勞強度得以提高。資料顯示，球鐵氮化後疲勞強度提高25-30%，離子氮化處理提高耐磨性效果比淬火處理的好，且具有珠光體+鐵素體組織的球鐵氮化效果最佳。